RU2193692C1 - Stage of oil well centrifugal pump - Google Patents

Abstract

FIELD: oil industry; mechanical engineering. SUBSTANCE: invention relates to multistage pumps designed for pumping out formation fluids. Stage of proposed oil well centrifugal pump has guide vane assembly and impeller. cavities are made on upper surface of impeller driving disk. Cavities are open from upper and outer side surfaces of driving disk. Blade of impeller are arranged on lower surface of driving disk. Impeller is made open from lower side. Ribs are arranged on upper surface of upper disk of guide vane assembly. Grooves formed by said ribs are from side of upper borders of said ribs. EFFECT: reduced wear of members, increased stability in operation, efficiency and head of stage. 3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к нефтяному машиностроению и может быть использовано в многоступенчатых центробежных скважинных насосах, предназначенных для откачки пластовой жидкости. The invention relates to petroleum engineering and can be used in multistage centrifugal borehole pumps designed for pumping formation fluid.

Известен центробежный насос, в котором рабочее колесо выполнено содержащим ведущий диск с лопатками. На поверхности ведущего диска в известном устройстве выполнено утолщение, в котором сформированы трехгранные выемки [1]. A centrifugal pump is known in which the impeller is made up of a drive disk with blades. On the surface of the drive disk in the known device, a thickening is made in which trihedral recesses are formed [1].

Выемки на рабочем колесе в центробежном насосе известной конструкции не участвуют в процессе перекачивания жидкости, не влияют на структуру потока перекачиваемой жидкости или газожидкостной смеси и, соответственно, не позволяют улучшить структуру потока газожидкостной смеси при наличии в перекачиваемой смеси значительных объемов газа. Recesses on the impeller in a centrifugal pump of known design do not participate in the process of pumping the liquid, do not affect the flow structure of the pumped liquid or gas-liquid mixture, and, accordingly, do not improve the flow structure of the gas-liquid mixture in the presence of significant volumes of gas in the pumped mixture.

Устройством, наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению, является ступень скважинного многоступенчатого центробежного насоса [2], содержащая рабочее колесо с ведущим диском и расположенными на нем лопастями, а также направляющий аппарат с внутренним диском и с лопатками, диаметр расположения входных кромок которых больше диаметра наружного диска направляющего аппарата, причем на краю верхней поверхности ведущего диска рабочего колеса выполнены трехгранные выемки. The device closest in technical essence to the claimed invention is a step of a multi-stage borehole centrifugal pump [2], comprising a driving wheel with a driving disk and blades located on it, as well as a guiding device with an internal disk and blades, the diameter of the input edges of which is larger the diameter of the outer disk of the guide apparatus, and trihedral recesses are made on the edge of the upper surface of the driving disk of the impeller.

Известное устройство при его использовании в многоступенчатых центробежных насосах обеспечивает повышение напора при малых подачах и повышение стабильности характеристик при работе с жидкостными смесями, содержащими включения в виде свободного газа. The known device when used in multistage centrifugal pumps provides an increase in pressure at low flows and an increase in the stability of characteristics when working with liquid mixtures containing inclusions in the form of free gas.

Недостатком известного технического решения является снижение надежности работы при наличии в перекачиваемой жидкости значительных по объему газовых включений, так как при этом формируются застойные зоны, препятствующие измельчению газовых пузырей, в результате чего насос блокируется газовыми пробками. A disadvantage of the known technical solution is the decrease in reliability when there is a significant amount of gas inclusions in the pumped liquid, since this forms stagnant zones that prevent the grinding of gas bubbles, as a result of which the pump is blocked by gas plugs.

Также известное техническое решение имеет низкую надежность работы при наличии в перекачиваемой жидкости грязевых (твердых) включений, способных привести к закупориванию сужающихся каналов рабочего колеса, образованных лопастями рабочего колеса, а также ведущим и ведомым дисками. Also, the known technical solution has low reliability when there is mud (solid) inclusions in the pumped liquid that can lead to clogging of the narrowing channels of the impeller formed by the impeller blades, as well as the driving and driven disks.

Настоящее изобретение позволяет устранить указанные выше недостатки известных технических решений, а также обеспечивает эффективное дробление газовых пузырей и грязевых включений, обеспечивая при его использовании бесперебойную работу насоса. Также заявленное изобретение по сравнению с известными техническими решениями обеспечивает возможность более мелкого дробления газовых пузырьков, что повышает устойчивость газожидкостной смеси, так как снижается вероятность последующего укрупнения газовых включений. Кроме того, особенности настоящего изобретения позволяют использовать заявленное устройство в качестве первых ступеней скважинных насосов для подготовки жидкостной смеси, содержащей газовые и твердые включения, к перекачиванию насосными ступенями любой известной конструкции, в результате чего повышается кпд и напор всего насоса в целом. The present invention eliminates the aforementioned disadvantages of the known technical solutions, and also provides effective crushing of gas bubbles and mud inclusions, while using it, uninterrupted operation of the pump. Also, the claimed invention in comparison with the known technical solutions provides the possibility of finer crushing of gas bubbles, which increases the stability of the gas-liquid mixture, as it reduces the likelihood of further enlargement of gas inclusions. In addition, the features of the present invention make it possible to use the claimed device as the first stages of well pumps for preparing a liquid mixture containing gas and solid inclusions for pumping by pump stages of any known design, as a result of which the efficiency and pressure of the entire pump are increased.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в ступени скважинного центробежного насоса, содержащей направляющий аппарат и рабочее колесо, на верхней поверхности ведущего диска которого выполнены выемки, открытые с верхней и внешней боковой поверхностей ведущего диска, на нижней поверхности которого расположены лопасти рабочего колеса, согласно изобретению рабочее колесо выполнено открытым с нижней стороны, а на верхней поверхности верхнего диска направляющего аппарата расположены ребра, причем канавки, образованные указанными ребрами, выполнены открытыми со стороны верхних границ указанных ребер. The specified technical result is achieved due to the fact that in the step of the borehole centrifugal pump containing a guiding apparatus and an impeller, recesses are made on the upper surface of the drive disk, open from the upper and outer side surfaces of the drive disk, on the lower surface of which the impeller vanes are located, according to the invention, the impeller is made open from the lower side, and ribs are located on the upper surface of the upper disk of the guide apparatus, the grooves being formed e specified ribs made open from the upper boundaries of these ribs.

Кроме того, на нижней поверхности нижнего диска направляющего аппарата могут быть выполнены дополнительные выемки, открытые с нижней и внешней боковой поверхностей нижнего диска. Ведущий диск рабочего колеса может быть непосредственно закреплен на втулке рабочего колеса, предназначенной для сопряжения с валом насоса. In addition, on the lower surface of the lower disk of the guide vane, additional recesses can be made open from the lower and outer side surfaces of the lower disk. The driving wheel of the impeller can be directly mounted on the impeller sleeve, designed to interface with the pump shaft.

При таком выполнении заявленного устройства по сравнению с наиболее близким техническим решением снижается износ рабочего колеса и имеющего ребра верхнего диска направляющего аппарата при наличии грязевых включений в пластовой жидкости и при увеличении в ней объема газовых включений улучшается стабильность работы ступени за счет прохождения через выемки газовых пузырьков после измельчения крупных пузырей лопастями и ребрами. Увеличиваются кпд и напор ступени. With this embodiment of the claimed device, in comparison with the closest technical solution, the wear of the impeller and the ribs of the guide disk having ribs in the presence of mud inclusions in the formation fluid and with an increase in the volume of gas inclusions in it improves the stability of the stage by passing through the recesses of gas bubbles after grinding large bubbles with blades and ribs. The efficiency and pressure of the stage increase.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:
на фиг.1 - две установленные последовательно ступени, выполненные в соответствии с заявленным изобретением;
на фиг. 2 - вид сверху верхнего диска направляющего аппарата, выполненного согласно изобретению.The invention is illustrated by drawings, which depict:
figure 1 - two sequentially installed steps made in accordance with the claimed invention;
in FIG. 2 is a plan view of a top disk of a guide apparatus made in accordance with the invention.

Ступень скважинного центробежного насоса (фиг.1) содержит рабочее колесо 1 и направляющий аппарат 2. Рабочее колесо 1 выполнено содержащим ведущий диск 3 с верхней 5 (в рабочем положении насоса) и внешней боковой поверхностями, на котором закреплены лопасти 4, втулку 6, предназначенную для сопряжения через шпонку с общим валом насоса (не изображен). В рабочем колесе сформированы пазы, ограниченные лопастями 4, жестко связанными с ведущим диском 3. The stage of the borehole centrifugal pump (Fig. 1) comprises an impeller 1 and a guiding apparatus 2. The impeller 1 is made up of a driving disk 3 with an upper 5 (in the working position of the pump) and an external lateral surface on which the blades 4 are fixed, a sleeve 6 designed for interfacing through a key with a common pump shaft (not shown). Grooves are formed in the impeller, bounded by blades 4, rigidly connected to the drive disk 3.

Направляющий аппарат 2 содержит верхний диск 7, нижний диск 8 и лопатки 9, диаметр расположения входных кромок 10 которых больше диаметра нижнего диска 8 направляющего аппарата 2. Выполненные в направляющем аппарате 2 каналы образованы дисками 7, 8 и лопатками 9. Верхний диск 7 жестко связан с кольцом 11 (боковой стенкой корпуса аппарата), нижним диском 8 (через лопатки 9) и цапфой 12, сопряженной с втулкой 6 рабочего колеса 1. На диске 3 закреплены антифрикционные опорные шайбы 13, выполненные, например, из текстолита. The guide apparatus 2 contains an upper disk 7, a lower disk 8 and vanes 9, the diameter of the input edges 10 of which is larger than the diameter of the lower disk 8 of the guide apparatus 2. The channels made in the guide apparatus 2 are formed by disks 7, 8 and vanes 9. The upper disk 7 is rigidly connected with a ring 11 (side wall of the apparatus body), a lower disk 8 (through the blades 9) and a pin 12 connected to the impeller bushing 6. On the disk 3 are mounted anti-friction support washers 13 made, for example, of textolite.

На верхней поверхности 5 ведущего диска 3 рабочего колеса 1 выполнены выемки 14. Указанные выемки 14 открыты с верхней 5 и внешней боковой поверхностей ведущего диска 3, на нижней поверхности которого расположены лопасти 4 рабочего колеса 1, которое выполнено открытым с нижней стороны. Между имеющим выемки 14 и лопасти 4 ведущим диском 3 рабочего колеса 1 и верхним диском 7 направляющего аппарата 2, на верхней поверхности верхнего диска 7 направляющего аппарата 2 расположены ребра 15 (фиг.2), жестко связанные с верхним диском 7 и обращенные к лопастям 4 ведущего диска рабочего колеса 1. Канавки 16, образованные указанными ребрами 15, взаимодействующие в процессе работы с выемками 14, выполнены открытыми со стороны верхних границ 19 указанных ребер 15. Ребра и канавки между ними могут быть выполнены в виде концентрических колец или колец неправильной формы. On the upper surface 5 of the driving disk 3 of the impeller 1, recesses 14 are made. These recesses 14 are open from the upper 5 and outer side surfaces of the driving disk 3, on the lower surface of which there are blades 4 of the impeller 1, which is open from the bottom. Between the leading disk 3 of the impeller 1 having a recess 14 and the blade 4 and the upper disk 7 of the guide apparatus 2, ribs 15 are located on the upper surface of the upper disk 7 of the guide apparatus 2 (Fig. 2), rigidly connected to the upper disk 7 and facing the blades 4 the driving disk of the impeller 1. The grooves 16 formed by these ribs 15, interacting with the recesses 14, are made open from the upper borders 19 of these ribs 15. The ribs and grooves between them can be made in the form of concentric rings or rings q irregularly shaped.

В дополнение к выемкам 14, расположенным на ведущем диске рабочего колеса 1, могут быть выполнены дополнительные выемки 17. Они выполнены на внешнем краю обращенной к рабочему колесу 1 нижней поверхности 18 нижнего диска 8 направляющего аппарата 2 открытыми с нижней 18 и внешней боковой поверхностей нижнего диска 8, взаимодействующими в процессе работы с выемками 14 рабочего колеса 1 и с канавками 16 направляющего аппарата 2, в том числе через промежутки между ребрами 15 и кольцом 11. In addition to the recesses 14 located on the driving disk of the impeller 1, additional recesses 17 can be made. They are made on the outer edge of the lower surface 18 of the lower disk 8 of the guide apparatus 2 open from the lower 18 and the outer side surfaces of the lower disk 8, interacting in the process of working with the recesses 14 of the impeller 1 and with the grooves 16 of the guide apparatus 2, including through the gaps between the ribs 15 and the ring 11.

Ведущий диск 3 рабочего колеса 1 может быть непосредственно закреплен на втулке 6 рабочего колеса 1, предназначенной для сопряжения с валом насоса. The driving disk 3 of the impeller 1 can be directly mounted on the sleeve 6 of the impeller 1, designed to interface with the pump shaft.

При работе насоса пластовая жидкость протекает по пазам рабочего колеса 1, приводимого в движение валом насоса (направление его вращения показано стрелкой на фиг.2), и при прохождении потока жидкости по пазам рабочих колес формируется напор жидкости как за счет центробежных сил, так и за счет действия лопастей рабочего колеса на поток жидкости, чему способствует повышение жесткости ведущего диска рабочего колеса при непосредственном его закреплении на втулке рабочего колеса. Далее жидкость поступает в каналы направляющего аппарата 2, в которых осуществляется создание дополнительного напора и направление потока на рабочее колесо следующей ступени. Вместе с пластовой жидкостью по пазам перемещаются газовые пузыри, которые эффективно дробятся при взаимодействии лопастей 4 и ребер 15 с потоком жидкости. When the pump is operating, formation fluid flows through the grooves of the impeller 1, driven by the pump shaft (the direction of its rotation is shown by the arrow in Fig. 2), and when the fluid flows through the grooves of the impellers, a fluid head is formed both due to centrifugal forces and beyond due to the action of the impeller blades on the fluid flow, which contributes to an increase in the rigidity of the driving wheel of the impeller when it is mounted directly on the impeller bushing. Next, the fluid enters the channels of the guide apparatus 2, in which the creation of additional pressure and the flow direction to the impeller of the next stage are carried out. Together with the reservoir fluid, gas bubbles move along the grooves, which are effectively crushed when the blades 4 and ribs 15 interact with the fluid flow.

После выхода из пазов рабочего колеса 1 и канавок 16 направляющего аппарата 2 пластовая жидкость движется потоком, формируемым кольцом 11 направляющего аппарата 2, к каналам направляющего аппарата. В процессе движения пластовой жидкости выемки 14 вращающегося рабочего колеса 1 формируют тороидальный вихрь (вихревое кольцо) между выходом из пазов рабочего колеса 1 и входом в каналы направляющего аппарата 2. За счет формирования тороидального вихря повышается напор ступени на малых расходах перекачиваемой жидкости, а также осуществляется эффективное перемешивание жидкости с газовыми включениями и диспергация (измельчение и перемешивание) газовых пузырей в перекачиваемой жидкости. After exiting the grooves of the impeller 1 and the grooves 16 of the guide apparatus 2, the formation fluid moves by the flow generated by the ring 11 of the guide apparatus 2 to the channels of the guide apparatus. During the movement of the formation fluid, the recesses 14 of the rotating impeller 1 form a toroidal vortex (vortex ring) between the exit from the grooves of the impeller 1 and the entrance to the channels of the guide apparatus 2. Due to the formation of a toroidal vortex, the head of the stage increases at low flow rates of the pumped liquid, and also effective mixing of liquid with gas inclusions and dispersion (grinding and mixing) of gas bubbles in the pumped liquid.

Выемки 17, сформированные на нижнем диске 8 направляющего аппарата 2, способствуют повышению интенсивности перемещения жидкости в тороидальном вихре и, соответственно, диспергации газовых включений в газожидкостной смеси, что усиливается взаимодействующими в процессе работы выемками 17 и 14 и канавками 16. The recesses 17 formed on the lower disk 8 of the guiding apparatus 2 contribute to an increase in the intensity of fluid movement in the toroidal vortex and, accordingly, dispersion of gas inclusions in the gas-liquid mixture, which is enhanced by the recesses 17 and 14 interacting during operation and grooves 16.

Кроме того, за счет канавок 16, ребер 15 и лопастей 4 выводятся грязевые включения в пластовой жидкости через промежутки между ребрами 15 и кольцом 11. При этом снижается износ рабочего колеса 1, ребер 15 и тем самым верхнего диска 7 при наличии грязевых включений в пластовой жидкости. Лопасти 4 и ребра 15 измельчают крупные газовые пузыри на все более мелкие пузырьки, причем благодаря своей форме и перекрещиванию, воздействуя в разных направлениях. После этого первого этапа измельчения пузырей облегчается измельчение газовых пузырьков на втором этапе, то есть в выемках. Тем самым, при увеличении в пластовой жидкости объема газовых включений улучшается стабильность работы ступени. Кроме этого, повышается ее кпд и напор. In addition, due to the grooves 16, ribs 15 and blades 4, mud inclusions are removed in the formation fluid through the gaps between the ribs 15 and the ring 11. This reduces the wear of the impeller 1, ribs 15 and thereby the upper disk 7 in the presence of mud inclusions in the reservoir liquids. The blades 4 and ribs 15 crush large gas bubbles into ever smaller bubbles, due to their shape and crossing, acting in different directions. After this first stage of grinding the bubbles, the grinding of gas bubbles in the second stage, that is, in the recesses, is facilitated. Thus, with an increase in the volume of gas inclusions in the formation fluid, the stage operation stability is improved. In addition, its efficiency and pressure increase.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР 1617208, кл. F 04 D 29/08, 1990.Sources of information
1. USSR copyright certificate 1617208, cl. F 04 D 29/08, 1990.

2. Патент РФ 2138691, кл. F 04 D 13/10, 1/06, 31/00, 1999. 2. RF patent 2138691, cl. F 04 D 13/10, 1/06, 31/00, 1999.

Claims (3)

1. Ступень скважинного центробежного насоса, содержащая направляющий аппарат и рабочее колесо, на верхней поверхности ведущего диска которого выполнены выемки, открытые с верхней и внешней боковой поверхностей ведущего диска, на нижней поверхности которого расположены лопасти рабочего колеса, отличающаяся тем, что рабочее колесо выполнено открытым с нижней стороны, а на верхней поверхности верхнего диска направляющего аппарата расположены ребра, причем канавки, образованные указанными ребрами, выполнены открытыми со стороны верхних границ указанных ребер. 1. The step of the borehole centrifugal pump, comprising a guiding apparatus and an impeller, on the upper surface of the driving disk of which there are recesses open from the upper and external lateral surfaces of the driving disk, on the lower surface of which the impeller blades are located, characterized in that the impeller is open on the lower side, and on the upper surface of the upper disk of the guide vane there are ribs, and the grooves formed by these ribs are open from the upper side pages of these ribs. 2. Ступень по п. 1, отличающаяся тем, что на нижней поверхности нижнего диска направляющего аппарата выполнены дополнительные выемки, открытые с нижней и внешней боковой поверхностей нижнего диска. 2. The step according to claim 1, characterized in that on the lower surface of the lower disk of the guide apparatus, additional recesses are made open from the lower and outer side surfaces of the lower disk. 3. Ступень по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что ведущий диск рабочего колеса непосредственно закреплен на втулке рабочего колеса, предназначенной для сопряжения с валом насоса. 3. The stage according to any one of the preceding paragraphs, characterized in that the driving disk of the impeller is directly mounted on the impeller sleeve, designed to interface with the pump shaft.

Images